單缸發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)膨脹腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

于港蒲 王 達(dá) 余俊勇 王 賽 楊 港 董 晴

（吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院 吉林 長春 130022）

引言

單缸機(jī)的排氣噪聲比多缸機(jī)脈動性強(qiáng)，而且由于其噪聲的基頻較低，所以通常單缸機(jī)排氣系統(tǒng)中都需要一段膨脹腔來專門消除低頻噪聲，通過管道截面積突變使聲波傳遞方向變化，在管道內(nèi)發(fā)生反射、干涉等現(xiàn)象，從而達(dá)到消聲的目的[1]。

噪聲計權(quán)方式主要有4種，分別是A計權(quán)、B計權(quán)、C計權(quán)和D計權(quán)，這4種計權(quán)方式對于各頻段噪聲的加權(quán)量不同。由于A計權(quán)方式比較貼近人耳的感受，故目前各國的噪聲檢測均使用A計權(quán)方式。但是在個別國家法規(guī)及部分賽車運動中，亦采用C計權(quán)方式[2]。

目前排氣聲學(xué)性能分析是消聲器設(shè)計的重要手段，基于平面波理論的一維時域法和頻域法用于預(yù)測消聲器的消聲性能，計算速度較快，但是沒有考慮非平面波的影響，在高頻存在計算誤差。楊潤潮等利用GT-POWER軟件建立了發(fā)動機(jī)和排氣消聲器的耦合仿真模型，并對排氣消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[3]。江洪等利用GT-POWER軟件中的Muffler模塊進(jìn)行排氣消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計并提出優(yōu)化方案[4]。Shouli Yuan等利用GT-POWER進(jìn)行實體建模前的仿真優(yōu)化，實現(xiàn)了同時滿足消聲性能和燃油經(jīng)濟(jì)性的要求[5]。

本文以一款單缸機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)為研究對象，利用GT-POWER軟件中的Muffler模塊研究了排氣系統(tǒng)中膨脹腔各因素的影響效果，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。發(fā)動機(jī)參數(shù)及部分設(shè)計目標(biāo)見表1。因為文獻(xiàn)2中噪聲檢測所測轉(zhuǎn)速為怠速和5 500 r/min，故本文中結(jié)論均選取評價標(biāo)準(zhǔn)為怠速工況和額定工況（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為5 500 r/min）下的噪聲水平。

1 前期模型的建立

首先在GT-POWER中建立發(fā)動機(jī)原型機(jī)模型，如圖1所示。原型發(fā)動機(jī)的參數(shù)如表2所示。通過仿真驗證可以得到模型外特性如圖2所示。由圖2可以看出，該模型峰值轉(zhuǎn)矩為70.8 N·m，轉(zhuǎn)速為5 500r/min，峰值功率為47.8 kW，轉(zhuǎn)速為7 500 r/min，轉(zhuǎn)矩峰值點轉(zhuǎn)速和功率峰值點轉(zhuǎn)速同原型發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)矩和功率差值均小于5%。因此，該發(fā)動機(jī)模型可以用于仿真該原型發(fā)動機(jī)。

表1 單缸機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)參數(shù)

圖1 GT-POWER原型發(fā)動機(jī)模型

表2 原型發(fā)動機(jī)參數(shù)

在上述模型中加入機(jī)械增壓器和設(shè)計后的進(jìn)排氣系統(tǒng)，并將機(jī)械增壓器與發(fā)動機(jī)曲軸通過增速齒輪對連接，實現(xiàn)進(jìn)氣增壓效果，提高發(fā)動機(jī)功率[6]，模 型如圖3所示，其參數(shù)如表1所示。

圖2 原型發(fā)動機(jī)的外特性曲線（仿真計算）

圖3 GT-POWER發(fā)動機(jī)、機(jī)械增壓器與進(jìn)排氣系統(tǒng)耦合仿真模型

消聲器主要有阻性消聲器，抗性消聲器和阻抗復(fù)合式消聲器3種，其中阻性消聲器主要用于消除中高頻噪聲，抗性消聲器主要用于消除中低頻噪聲。由于單缸機(jī)排氣噪聲基頻比較低，故需要前后兩個消聲器來滿足噪聲等級要求，一個通過流通截面積突變來達(dá)到消聲目的，消除中低頻噪聲，另一個通過結(jié)構(gòu)設(shè)計以及消聲棉的運用來消除中高頻噪聲。根據(jù)經(jīng)驗以及消聲理論，用來消除中高頻的消聲器結(jié)構(gòu)[7]如圖4所示，其截面為直徑130 mm的圓形，長度為300 mm，前半段腔體長度為160 mm，內(nèi)部圓周帶有厚度為10 mm的玻璃纖維以及穿孔管用來消除中高頻噪聲[8]。下面將詳細(xì)討論膨脹腔的各因素對其總消聲效果的影響。

消聲器容積跟消聲量有關(guān)，美國Nelson消聲器公司Dean.Thomas推薦消聲器容量估算式[9]：

式中：Vh為發(fā)動機(jī)的排量，L；n為發(fā)動機(jī)額定功率下的轉(zhuǎn)速，r/min；T為發(fā)動機(jī)的沖程數(shù)；N為發(fā)動機(jī)的氣缸數(shù)；Q為常數(shù)，按不同的消聲要求，可取值為 2～6。

將該發(fā)動機(jī)參數(shù)代入式（1），可以估算出所需消聲器容積，如式（2）所示。

2 膨脹腔的布置研究

圖4所示消聲器的容積為3.98L，則可以選擇一個3.6L的膨脹腔來進(jìn)行對比。根據(jù)一維平面波理論[10]，由于聲波在圓形管道中流通時非平面波效應(yīng)較小，可以提高仿真精度，故選擇截面直徑為160 mm的圓形，長度為180 mm的桶型，內(nèi)管直徑選擇與排氣管路直徑一致，為45 mm。為了不考慮插入管的影響，選擇為進(jìn)出口均無插入管結(jié)構(gòu)，具體如圖5所示。

圖4 消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 膨脹腔示意圖

分別選擇膨脹腔前置和膨脹腔后置進(jìn)行仿真，所得傳遞損失曲線對比如圖6所示。由傳遞損失曲線可以看出，膨脹腔前置的傳遞損失曲線峰值對應(yīng)頻率比后置方案高，約在900 Hz，而且自700 Hz之后的傳遞損失均高于后置方案。通過表3噪聲水平可以看出，不論是A計權(quán)聲級還是C計權(quán)聲級，膨脹腔前置的噪聲水平都比后置的方案低，在額定工況時低約4 dB。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在5 500 r/min時，排氣基頻為45.8 Hz，則其二階頻率為91.6 Hz，三階頻率為137.4 Hz，由圖6可以看出膨脹腔前置時傳遞損失曲線在95 Hz處出現(xiàn)一個峰值，該頻率剛好對應(yīng)排氣二階頻率，消聲效果更好。

圖6 不同膨脹腔位置的傳遞損失曲線對比圖

表3 不同膨脹腔位置的噪聲水平對比

圖7為排氣系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)觀察點位置示意圖。通過表4中可以看出，5 500 r/min膨脹腔前置時排氣通過膨脹腔后的壓力損失為4 kPa，通過消聲器的壓力損失為35 kPa，而膨脹腔后置時排氣通過消聲器的壓力損失為41 kPa，通過膨脹腔的壓力損失為1 kPa；膨脹腔后置時，排氣氣流到達(dá)膨脹腔時速度過高，是前置的兩倍，氣流速度過快，由于截面積突變導(dǎo)致的聲波反射、干涉等現(xiàn)象不顯著，使其消聲效果不如膨脹腔前置。

表4 5 500 r/min時不同數(shù)據(jù)觀察點的參數(shù)對比

圖7 排氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)觀察點

3 膨脹腔的容積特性研究

由上文可知，膨脹腔前置的消聲效果更好，故討論膨脹腔容積時均采用膨脹腔前置的方案。為了忽略其他因素影響，同樣是采用無插入管的圓形截面膨脹腔，已知消聲器的容積為3.98L，則分別選擇2.8L（直徑160 mm，長度140 mm的圓型截面桶），3.6L（直徑160 mm，長度180 mm的圓形截面桶）和4.4L（直徑160 mm，長度220 mm的圓形截面桶）。

3種方案的直徑均相同，即截面擴(kuò)張比相同，只是長度不同，導(dǎo)致容積不同。表5是不同膨脹腔容積的噪聲水平對比，從表5可以看出，隨著膨脹腔容積增大，噪聲水平會明顯下降，因此可以根據(jù)目標(biāo)消聲量代入公式（1）計算得出大致容積，再進(jìn)行仿真優(yōu)化。如果噪聲水平高于預(yù)期，可選擇增大膨脹腔容積；如果噪聲水平低于預(yù)期，可在一定程度上減小膨脹腔容積，以方便整車布置并利于輕量化。

圖8為不同膨脹腔容積的傳遞損失，通過圖8可以看出，容積為3.6 L的方案由于在50～150 Hz范圍內(nèi)高于容積為2.8 L的方案，該范圍對應(yīng)排氣噪聲的二階頻率，所以消聲效果優(yōu)于2.8L的方案。而容積為4.4 L的方案由于其傳遞損失在50～400 Hz之間與3.6 L方案相差無幾，而在400 Hz之后均高于3.6L的方案，所以其消聲效果優(yōu)于3.6L的方案。因此，隨著膨脹腔容積的不斷增大，噪聲水平逐漸降低。

圖8 不同容積膨脹腔的傳遞損失

表5 不同容積膨脹腔的噪聲水平對比

4 膨脹腔的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)優(yōu)化研究

通過上文分析，選擇膨脹腔容積為3.6 L，同時進(jìn)出口直徑均與排氣管路直徑相同，為45 mm。方案1為了布置方便，同樣選擇容積為3.6 L，但是考慮選擇進(jìn)出口為同側(cè)布置，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 方案1膨脹腔示意圖

由表6可以看出，方案1與3.6L方案噪聲水平基本一致，略有降低，從表7可以看出，2種方案中5 500 r/min時的排氣管路流速基本沒有差別，所以2種方案的消聲效果也可認(rèn)為一致。但是從圖10中可以看出，方案1的傳遞損失始終比原3.6 L方案大，該布置方案潛力較大，因此考慮繼續(xù)加入插入管來提高消聲效果，具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

表6 不同膨脹腔出入口位置的噪聲水平對比

圖10 不同出入口位置的傳遞損失

表7 5 500 r/min時不同數(shù)據(jù)觀察點參數(shù)對比

圖11 膨脹腔示意圖

設(shè)置不同進(jìn)出口插入管長度并進(jìn)行仿真，長度設(shè)置及結(jié)果如表8所示。選取怠速轉(zhuǎn)速和常用轉(zhuǎn)速下的噪聲水平作為評判依據(jù)，由表8可以看出：

1）入口插入管長度為0，隨著出口插入管長度增大，A計權(quán)聲級逐漸減小或不變，C計權(quán)聲級逐漸增大，這說明低頻段的噪聲等級在增大，中高頻段的噪聲等級在減小。由圖12也可以看出，隨著出口插入管長度的增加，大于1 000 Hz的傳遞損失在增大，0～150 Hz的傳遞損失在減小，這一范圍正是中低轉(zhuǎn)速時的排氣噪聲基頻和二階頻率區(qū)間，但是A計權(quán)聲級對于0～1 000 Hz噪聲的加權(quán)比重較小，因此呈現(xiàn)出A計權(quán)聲級減小或不變，C計權(quán)聲級在增大的現(xiàn)象。

表8 不同插入管長度在怠速和常用轉(zhuǎn)速下的噪聲水平

圖12 入口插入管長度為0，不同出口插入管長度的傳遞損失

2）入口插入管長度為膨脹腔長度一半時，隨著出口插入管增大，A計權(quán)聲級逐漸減小或不變，C計權(quán)聲級逐漸增大。由圖13分析原理同1）中情況。

圖13 入口插入管長度為90，不同插入管長度的傳遞損失

3）出口插入管長度為0，隨著入口插入管長度增大，A計權(quán)聲級逐漸增加，C計權(quán)聲級也在逐漸增大。由圖14可以看出，隨著入口插入管長度的增大，傳遞損失曲線峰值對應(yīng)頻率向低頻方向移動，但是峰值傳遞損失在減小，因此A、C計權(quán)聲級均有所增大。

圖14 出口插入管長度為0，不同入口插入管長度的傳遞損失

總的來看，如果考慮A計權(quán)聲級，可以選擇無進(jìn)口插入管，適當(dāng)增大出口插入管長度，但差別不大；如果考慮C計權(quán)聲級，可以選擇無進(jìn)出口插入管。通常情況下，出于輕量化的考慮，可不設(shè)置進(jìn)出口插入管，根據(jù)整車布置選擇進(jìn)出口同側(cè)或異側(cè)。

5 膨脹腔的出入口尺寸優(yōu)化研究

為了適當(dāng)增大傳遞損失，考慮增大截面積之比，為了便于整車布置，保持膨脹腔外徑不變，異側(cè)出入口設(shè)置，適當(dāng)減小出入口直徑，結(jié)構(gòu)如圖15所示。不同方案的出入口直徑參數(shù)如表9所示。同樣選擇怠速1 500 r/min和常用轉(zhuǎn)速5 500 r/min下的噪聲等級作為評判的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表10所示。

圖15 膨脹腔示意圖

表9 不同方案的進(jìn)出口直徑參數(shù)mm

由表10可以看出3種方案不管在怠速還是常用轉(zhuǎn)速下均有比較顯著的降噪效果，其中方案3的優(yōu)化消聲效果尤其明顯，說明進(jìn)出口膨脹比越大，噪聲等級越低。由圖16可以看出，由于進(jìn)口直徑相同，原方案和方案2在0～850 Hz之間傳遞損失曲線基本重合，當(dāng)出口直徑相同時，方案1和方案3在0～750 Hz之間的傳遞損失曲線基本重合。由圖17可以看出，原方案與方案2的轉(zhuǎn)矩外特性曲線基本重合，說明減小出口直徑既可以降低噪聲等級，又不會影響發(fā)動機(jī)的動力表現(xiàn)，但是減小進(jìn)口直徑，在增強(qiáng)消聲效果的同時也會降低中高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩外特性。因此，為了追求更好的消聲效果，可以適當(dāng)減小出口直徑。

表10 不同方案在怠速和常用轉(zhuǎn)速下的噪聲水平

圖16 不同方案的傳遞損失

圖17 不同方案的轉(zhuǎn)矩外特性對比

6 結(jié)論

1）由于膨脹腔后置時，排氣氣流到達(dá)膨脹腔時氣流速度過高，使因為截面積突變導(dǎo)致的聲波反射、干涉等現(xiàn)象不顯著，因此，膨脹腔前置效果優(yōu)于膨脹腔后置。

2）膨脹腔前置時，隨著膨脹腔容積的不斷增大，噪聲水平逐漸降低。

3）膨脹腔出入口同側(cè)布置和異側(cè)布置效果基本相當(dāng)（同側(cè)布置效果稍好），可根據(jù)整車布置選擇適合的方案。選擇膨脹腔出入口同側(cè)布置時，如果考慮A計權(quán)聲級，可以選擇無進(jìn)口插入管，適當(dāng)增大出口插入管長度；如果考慮C計權(quán)聲級，可以選擇無進(jìn)出口插入管。

4）膨脹腔選擇出入口同側(cè)布置且無進(jìn)出口插入管時，減小進(jìn)口直徑會降低中高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩外特性，減小出口直徑既可以降低噪聲等級，又不會影響發(fā)動機(jī)的動力表現(xiàn)。